NCSU-forskare skapar ny högeffektelektronik – med enorma konsekvenser

7 september 2022

Ingenjörsforskare har skapat nya högeffekts elektroniska enheter som är mer energieffektiva än tidigare tekniker. Enheterna möjliggörs av en unik teknik för att "dopa" galliumnitrid (GaN) på ett kontrollerat sätt.

"Många tekniker kräver energiomvandling - där strömmen växlas från ett format till ett annat", säger Dolar Khachariya, den första författaren till en uppsats om arbetet och en före detta doktorand. student vid North Carolina State University. – Tekniken kan till exempel behöva omvandla AC till DC, eller omvandla el till arbete – som en elmotor. Och i alla strömomvandlingssystem sker det mesta av strömförlusten vid strömbrytaren – som är en aktiv komponent i den elektriska kretsen som gör strömomvandlingssystemet.

"Att utveckla mer effektiv kraftelektronik som strömbrytare minskar mängden ström som går förlorad under omvandlingsprocessen", säger Khachariya, som nu är forskare vid Adroit Materials Inc. "Detta är särskilt viktigt för att utveckla teknologier för att stödja en mer hållbar kraft infrastruktur, såsom smarta nät.”

Kraftomvandling påverkar högteknologiska sektorer, som transit

"Vårt arbete här innebär inte bara att vi kan minska energiförlusten i kraftelektronik, utan vi kan också göra systemen för effektomvandling mer kompakta jämfört med konventionell kisel- och kiselkarbidelektronik", säger Ramón Collazo, medförfattare till tidningen och en docent i materialvetenskap och teknik vid NC State. "Detta gör det möjligt att införliva dessa system i teknologier där de för närvarande inte passar på grund av vikt- eller storleksbegränsningar, till exempel i bilar, fartyg, flygplan eller teknologier distribuerade över ett smart nät."

I en tidning publicerad 2021, beskrev forskarna en teknik som använder jonimplantation och aktivering för att dopa riktade områden i GaN-material. Med andra ord, konstruerade de föroreningar i specifika regioner på GaN-material för att selektivt modifiera de elektriska egenskaperna hos GaN endast i dessa regioner.

Så här fungerar det

I sin nya artikel har forskarna visat hur denna teknik kan användas för att skapa verkliga enheter. Specifikt använde forskarna selektivt dopade GaN-material för att skapa Junction Barrier Schottky (JBS) dioder.

"Strömlikriktare, som JBS-dioder, används som omkopplare i alla kraftsystem", säger Collazo. "Men historiskt har de tillverkats av halvledarna kisel eller kiselkarbid, eftersom de elektriska egenskaperna hos odopade GaN inte är kompatibla med arkitekturen hos JBS-dioder. Det fungerar bara inte.

"Vi har visat att man selektivt kan dopa GaN för att skapa funktionella JBS-dioder, och att dessa dioder inte bara är funktionella, utan möjliggör mer energieffektiv konvertering än JBS-dioder som använder konventionella halvledare. Till exempel, i tekniska termer, har vår GaN JBS-diod, tillverkad på ett naturligt GaN-substrat, rekordhög genombrottsspänning (915 V) och rekordlågt på-motstånd.

"Vi arbetar för närvarande med industripartners för att skala upp produktionen av selektivt dopad GaN och letar efter ytterligare partnerskap för att arbeta med frågor som rör mer utbredd tillverkning och användning av kraftenheter som använder detta material," säger Collazo.

Mer om forskningen

Pappret, "Vertikala GaN Junction Barriär Schottky-dioder med nästan idealisk prestanda med hjälp av Mg-implantation aktiverad av ultrahögtrycksglödgning”, publiceras i tidskriften Applied Physics Express. Uppsatsen var medförfattare av Spyridon Pavlidis, en biträdande professor i elektro- och datorteknik vid NC State; Shashwat Rathkanthiwar, en postdoktor vid NC State; Shane Stein, en Ph.D. student vid NC State; Hayden Breckenridge, en före detta Ph.D. student vid NC State; Erhard Kohn, forskarassistent vid NC State och emeritusprofessor vid Ulm University i Tyskland; Zlatko Sitar, Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering vid NC State och grundaren av Adroit Materials; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie och Ronny Kirste från Adroit Materials; och Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler och Michał Boćkowski från Institutet för högtrycksfysik vid den polska vetenskapsakademin.

Arbetet stöddes främst av ARPA-E som en del av dess PNDIODES-program, under bidrag DE-AR0000873, DE-AR000149. Arbetet fick ytterligare stöd från National Science Foundation, under anslag ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 och ECCS-1653383; Office of Naval Research Globals program för Naval International Cooperative Opportunities in Science and Technology, under anslag N62909-17-1-2004; och Polens nationella centrum för forskning och utveckling (NCBR) under anslag TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire